基于熱力發(fā)電廠中鍋爐除氧器控制方法的研究

劉永剛

摘要：除氧器是目前發(fā)電廠用到的主要設(shè)備，其是針對鍋爐發(fā)揮相關(guān)作用的。除氧器的作用是將水中的氧氣排除，延長設(shè)備耐腐蝕的時間，使得鍋爐運行的穩(wěn)定性大大提升。下面圍繞除氧器展開相關(guān)討論，對除氧系統(tǒng)、PID控制器的設(shè)計進行詳細介紹，并建立仿真模擬試驗，驗證除氧器對溫度的控制具有明顯優(yōu)勢，并對發(fā)電廠改進控制方法提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠；鍋爐；除氧器；控制方法

電能是社會生活中最常見的必需能量。為了減少煤燃燒造成的環(huán)境污染，近年來，許多發(fā)電廠都經(jīng)歷了很大的改革。傳統(tǒng)發(fā)電過程中，困擾電力部門的最大問題是熱力設(shè)備被腐蝕的速度過快，頻繁更換設(shè)備，不利于鍋爐的穩(wěn)定運行，同時增加經(jīng)濟成本。

一、現(xiàn)狀概述

近年來我國的用電量呈現(xiàn)出直線增長趨勢，再加上我國政府出臺的一系列環(huán)境保護政策，我國的發(fā)電廠正在快速改革當(dāng)中，設(shè)備腐蝕是改革過程中遇到的主要問題。在進入鍋爐之前，水中的溶解氧沒有被完全去除，由于供水管道和其它設(shè)備的氧氣腐蝕，每年發(fā)電廠都承受著巨大的經(jīng)濟損失。為改善這一情況，必須對水進行處理，使其發(fā)生還原反應(yīng)，水中的氧氣從中脫離出來。然后在脫氧器的幫助下，將氧氣在水中的溶解程度降到最低，進而達到減緩腐蝕的目的。在我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的情況下，工業(yè)生產(chǎn)中對除氧器的要求也在不斷提高，現(xiàn)階段針對除氧器的控制方法還達不到理想的設(shè)計要求，因此人們一直在探索一種更有效的方法[1]。

二、除氧系統(tǒng)

除氧器的主要作用是，將進水中的雜質(zhì)氣體去除，例如氧氣，在相應(yīng)的控制方法之下，雜質(zhì)氣體不會與水分發(fā)生反應(yīng)并結(jié)合在一起。下文對水中氧的特性和去除氧的基本方法進行詳細介紹。

（一）氣體特征

空氣中氧氣的含量很多，通常情況下，空氣極易和水發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致水中的氧含量明顯增加。溫度的高低是影響水中含氧量的主要因素，為達到較好的除氧效果，相應(yīng)裝置需要同時滿足下面兩個條件：當(dāng)除氧裝置的壓力達到最大時，進水的溫度必須達到飽和狀態(tài)溫度；水中分離出的氣體必須及時清除出去，否則會再次與水分子結(jié)合。由相關(guān)定理可知，氧氣的溶解程度與分壓的關(guān)系是非常密切的，溶解度隨著分壓的升高而不斷增加，分壓是指液體表面上空間中的壓力，此時該空間中只存在一種氣體。當(dāng)分壓為零時，氣體不溶于水。

隨著溫度升高或壓力增加，蒸汽-水界面處的水蒸氣分壓也增加。當(dāng)水的溫度達到沸點時，在蒸汽-水界面處僅存在水蒸氣而沒有其它氣體。

（二）溫控方案

經(jīng)過長期的試驗驗證，104±3℃是除氧器工作的最佳溫度。從除氧器系統(tǒng)的復(fù)雜性來看，傳統(tǒng)的PID控制難以實現(xiàn)除氧。鍋爐運行的穩(wěn)定性較差，且會對原材料造成大量浪費。鑒于此種情況，可以結(jié)合相關(guān)控制方法來設(shè)計更精確的控制器。我國一直在不斷探索新的控制方法，即模糊控制。到目前為止，它已經(jīng)在許多工業(yè)領(lǐng)域中使用，并在實際生產(chǎn)過程中解決很多傳統(tǒng)控制難以解決的難題。

本次研究的溫控系統(tǒng)采用的控制方式是閉環(huán)控制，其原理如下圖所示。其中x（t）是鍋進水溫度的設(shè)計值，y（t）是實際值。

圖一 溫控框圖

當(dāng)系統(tǒng)開始運行時，檢測除氧器內(nèi)給水的溫度，測得的溫度經(jīng)過變送器，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換與給水溫度設(shè)定值比較，得出的偏差信號作為調(diào)節(jié)器的輸入，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換處理，控制信號在調(diào)節(jié)器的作用下，被施加到執(zhí)行器，以此控制鍋爐給水溫度。

（三）基本原理

控制器是實現(xiàn)模糊控制的關(guān)鍵。在計算機的編程控制下，控制器具有一定的自主處理數(shù)據(jù)的能力，偏差信號通過模糊控制器變?yōu)槟：?。在模糊語言的控制下，得到語言子集為模糊控制量，為保證將受控對象控制在比較精確的范圍內(nèi)，需要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確數(shù)值，并在獲得準(zhǔn)確的數(shù)值后，將其值發(fā)送到執(zhí)行器，從而達到精確控制對象的目的。

三、設(shè)計控制器

（一）PID控制器

變量確定設(shè)計的第一步，本次控制器的設(shè)計，需要同時確定輸入、輸出量。輸入量直接反應(yīng)電力信號的變換情況，輸出量通常與控制器的補償量相近。維數(shù)的選擇是控制器設(shè)計的關(guān)鍵，目前大多數(shù)發(fā)電廠選擇的都是一維控制系統(tǒng)，比較容易實現(xiàn)對鍋爐溫度的控制。

1.確定變量

選擇輸入和輸出變量的詞集。通常，如果選擇單詞集則控制起來簡單方便，但其相關(guān)規(guī)則比較復(fù)雜。

本次試驗中，根據(jù)除氧裝置的實際工況，其輸入變量的設(shè)計包括兩個值，即e和ec，前者為誤差，后者表示誤差的相應(yīng)的變化量。補償量是輸出變量，它們的域量化是13級，即：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}

根據(jù)模糊控制原理，輸入變量首先必須模糊化并轉(zhuǎn)換為模糊量，并乘以量化因子。量化因子的選擇，與控制系統(tǒng)的相應(yīng)速度有著直接聯(lián)系，其值過大相應(yīng)的過渡時間會變長，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，不利于對運行系統(tǒng)的控制。

2.推理決策

推理決策是設(shè)計的重要階段，為保證最終設(shè)計成品性能的穩(wěn)定，目前常采用Mamdani推理法。

（二）仿真結(jié)果

采用熱脫氧器的經(jīng)典動態(tài)數(shù)學(xué)模型：G（S）=9.4e-4s（4.6s+1）3當(dāng)受控對象的數(shù)學(xué)模型是由設(shè)計建立的數(shù)學(xué)模型時，呈現(xiàn)的仿真圖各項參數(shù)如下：Kp=0.1697，Ki=0.0113，Kd=0.636，ΔKp、ΔKi、ΔKd為控制器的補償量。選擇三組參數(shù)，并比較模擬結(jié)果。超調(diào)量也有明顯優(yōu)勢，因為模糊控制的輸出量是對比例、積分和微分參數(shù)的補償[2]。系統(tǒng)設(shè)計除氧器溫度控制系統(tǒng)，只要除氧器的溫度保持在104±3°C，氧氣在脫氣器給水中的溶解度為零，就能達到較好的脫氧效果。

四、結(jié)束語

綜上所述，是對除氧器控制方法的相關(guān)介紹，以具體的仿真試驗，將是對除氧效果影響最大的因素，即溫度進行控制。在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，將模糊控制的理論融入進去，并按照實際工況建立相應(yīng)的仿真模型，通過仿真分析可知，在模糊理論和PID控制有效結(jié)合的基礎(chǔ)上，鍋爐運行的溫度被控制在合理范圍內(nèi)。

參考文獻：

[1]郭紅霞.基于熱力發(fā)電廠中鍋爐除氧器控制方法的研究[J].榆林學(xué)院學(xué)報，2017.

[2]寇天龍.除氧器含氧量超標(biāo)原因分析與調(diào)整[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2016，（23）.

（作者單位：廣州發(fā)展鰲頭分布式能源站投資管理有限公司）